[论文](李黎终稿)摩托车整车性能试验仿真系统的研究.docVIP

1 摩托车整车性能试验仿真系统的研究摩托车整车性能试验仿真系统的研究 段其昌 1，李黎1，段盼2 （1.重庆大学自动化学院，2. 重庆大学电气工程学院，重庆 400044） 摘要摘要：为了研究摩托车在实际道路工况下的整车性能，建立了基于模拟驾驶的摩托车整车性能试验 的动态系统模型。针对目前研究方法存在的“控制性能差”等问题，利用发动机台架试验数据，采 用曲面拟合方法，建立发动机稳态数学模型，根据行驶动力学方程和其非线性特点，应用分段线性 化方法，分别建立了道路负载模型和整车速度模型，设计模糊控制器和 PID 控制器，模拟整车驾驶。 在以上模型基础上，通过机算机仿真完成摩托车整车性能试验，得到在目标车速下的车速、油门开 度和发动机响应曲线。为验证整个系统模型的正确性，将仿真试验与底盘测功机的整车试验进行结 果对比和仿真分析，表明提出仿真模型是正确可行的。 关键词关键词：发动机模型；道路负载模型；模拟驾驶；整车性能试验 中图分类号：中图分类号：TP391.9 文献标识码：文献标识码：A Study on the Simulation System of Motorcycle Performance Test DUAN Qi-chang1, Li Li1, Duan Pan2 (1. Automation Department of Chongqing University, Chongqing, 400044, China 2. College of Electrical Engineering, Chongqing University, Chongqing, 400044 China) ABSTRACT: Dynamic system model of motorcycle performance test, based on simulated-driving, is built in order to study the dynamic performance of motorcycle under the real road condition. Aiming to the problems of current methods such as”lower control performance”, the following work has been done. The steady-state engine model is built by using surface fitting method. According to the driving dynamics equations and its nonlinear properties, the road load model and vehicle speed model are built by piece-wise linearization processing. Besides, Fuzzy control and PID control algorithms are selected to realize the driving model. Based on the above modules, the development of motorcycle performance test simulation system could accurately simulate the responses of vehicle speed, throttle opening and engine speed. In order to verify the system model, the comparison of simulation data and test data which are acquired from chassis dynamometer was made and analyzed, and analysis results show the presented model is feasible and correct. KEYWORDS: Engine model; Road load model; Simulated Driving; Motorcycle performance test 1 引言引言 摩托车整车性能试验、发动机台架试验是摩托 车产品设计开发，性能检测的重要试验步骤1。现 阶段行业中发动机试验和整车试验均分步进行，测 试周期长，任务繁重，设备投入巨大，严重影响行 业的发展。国内研究中，文献2所给出较为简化的 动力学模型存在不能很好地模拟整车起步过程中车 速和发动机运转速度的变化等问题；国外已开发基 于汽车整车性能仿真系统 ADAMS/car，但也存在 测试标准差异和低速时车速难以控制等问题3；本 文先以 30kW 摩托车发动机性能台架试验为基础建 立发动机数学模型1,4。然后，将道路试验工况、 驾驶员模型、发动机模型、道路阻力模型和传动系 统模型嵌入到整车试验仿真系统，来模拟摩托车在 道路行驶中的起步、加速和制动等动态响应过程。 本文利用发动机台架试验数据构建整车试验仿真系 统，来代替大部分整车性能试验，使摩托车的研发 周期大大缩减，节约试验投入成本。 2 发动机数学模型的建立发动机数学模型的建立 发动机性能特性曲线拟合通常采用多项式，其 速度特性模型通式为： （1） 0 k i ei i MAn 式中：Me发动机输出扭矩（Nm） ；n 发动机 转速（r/min） ；Ai多项式拟合系数；K 多项式次数。 对台架试验数据采用最小二乘拟合，得到油门 开度为时的输出扭矩方程用公式（2）表示： （2）( ,)Mfn ee 为了便于曲面拟合，将 k 组不同油门开度下测 得的速度特性试验数据表示为同维矩阵，矩阵形式 表示如下： 油门开度： =i1k（3） 2 发动机转速：Ne=neijkm（4） 发动机扭矩：Me=meijkm （5） neij表示在第 i 个油门开度下，采集系统按等间隔所 取得的发动机的转速（r/min） ； meij表示在第 i 个油门开度下，在发动机扭矩曲线 上对应的发动机转速点所取得的扭矩值（Nm） ； 根据台架试验得出发动机不同工况（油门开度、 曲轴转速）下发动机输出扭矩，通过插值、曲面拟 合的方法，得出发动机速度特性的曲面图如图 1 所 示。 0 50 100 4000 6000 8000 10000 10 15 20 25 30 35 出 出 出 出 (%)出 出 出 出 出 Ne(r/min) 出 出 出 出 Me(N.m) 图 1 拟合后的扭矩与转速、油门开度曲面 根据力学原理，发动机的角加速度e主要由 发动机的输出扭矩和发动机的负载扭矩之差所决定 的： （6） () ein e e MT I 式中，Me为发动机输出扭矩（Nm） ；Tin为 发动机负载扭矩（Nm） ；Ie为发动机转动惯量。 为了反映发动机加速过程时的实际工况，引入 扭矩下降系数来修正发动机稳态模型的输出扭矩， 修正量与发动机角加速度成比例关系，扭矩下降系 数取值为（0.070.09） ，具体可参考文献 1： （7）( ,)(1) eee Mfn 式中：为油门开度，ne为当前发动机转速， 为摩托车发动机加速状态下的输出扭矩下降系数。 结合（6） （7）式，可得到在油门开度为时， 发动机实际输出扭矩。 3 传动系统模型和道路负荷模型传动系统模型和道路负荷模型 31 摩托车传动系统 摩托车是由发动机曲轴输出扭矩，经离合器、 变速传动系统（降速增矩作用）传递给驱动轮足够 大的驱动扭矩，其对地面产生一圆周力，地面的摩 擦力作用给驱动轮一反作用力驱动摩托车行驶5。 （8） 12 0 () egT t t Mi iin M FFN rr 式中：Ft摩托车的驱动力（N） ；F0驱动轮对地面 产生的圆周力（N） ；Mt驱动轮上的驱动扭矩 （Nm） ； r 驱动轮半径（m） ； Me摩托车发动机 曲轴输出扭矩（Nm） ； i1一次传动比；ig变速器 传动比；i2二次传动比；nT传动变速系统总传动效 率。 32 摩托车行车阻力模型的建立 根据参考文献4，摩托车在平直道路上稳态行 驶时的行驶动力学方程为： （9） 2 012z dv Faa va vm dt （10） 00 101 202 / 21.15 DD aGf aGf f aC AGf f Gmg 式中，FZ为驱动力（N） ；m 为摩托车质量（kg） ； 为摩托车旋转质量转换系数；v 为车速（km/h） ； CD为空气阻力系数；AD为摩托车有效迎风面积 （m2） ；f0为基本的路面滚动阻力系数；f1为速度一 次方影响的滚动阻力系数；f2为速度二次方影响的 滚动阻力系数；为坡度角（rad） ；g 为重力加速 度（m/s2） 。 摩托车在平直道路上滑行时 FZ=0，由公式 （9） 、 （10）得出方程式（11） ，化简得到方程式 （12） 。 （11） 2 2 012 (1) 21.15 DD C A vdv mGff vf v dt （12） 2 012 /mdv dtaa va v 2 012 /dv dtbbvb v 通过不同的道路滑行试验求得 b0、b1、b2再将其代 入式（12）求得 a0、a1、a2。 本文仿真系统参考的摩托车动力系统主要参数： 摩托车加载质量 102kg，总传动比 3.402，滚动阻 力系数 0. 018， 车后轮半径 0.275m，风阻系数 0.43，迎风面积 0. 6 m2 ，发动机最大功率 30kW。 测试得到某国产摩托车在同一路面的 5 组道路滑行 数据，经过滤波处理，以消除随机激励对试验结果 的影响。利用处理后的 F-v 数据，根据上式求得 3 a0、a1、a2，得到试验摩托车的行车阻力曲线如图 2 所示。 图 2 道路模拟试验结果 33 摩托车速度模型的近似处理 为了得到摩托车整车试验时驱动力与车速大小 的关系，根据行驶动力学方程建立行驶模型。公式 （9）为一非线性方程，对其建模需进行线性化近 似处理，用泰勒级数对其展开： （13） 2 0120 200 2() z Faa va v dv a v vvm dt （14） 120 2 200 (2) () z dv Fmaa vv dt a va 其中 v0为摩托车工作的某工况点；假定摩托 车时速在 0100km/h 行驶范围内，现将其区间划分 为 6 个区段，每个区段的初始速度为 v0，将单位转 换为 m/s，如表 1 所示。 两边取拉普拉氏变换有： （15） 120 ( )1 ( )(2) z V s Fsmsaa v 根据公式（14） 、 （15） ，建立 6 种线性近似处 理的摩托车整车速度模型来满足不同速度区间模型 仿真的需要。 表 1 线性化模型的速度分段表 速度分段 V(t) (km/h)02020404060608080 以上 V0(km/h)020406080 V0(m/s)056111167222 4 驾驶员操作模拟驾驶员操作模拟 本文考虑一般行驶的驾驶操作，一般行驶是指 离合器完全结合，驾驶员通过操纵油门开度和制动 踏板来控制车速，此时发动机输出转矩等于传动系 的主动轴的制动转矩5。 驾驶员在对整车控制的过程中存在许多不确定 性，这主要依赖于驾驶员的经验，驾驶员总是依据 某些推理规则来实现对整车的控制。驾驶模拟是一 个非常复杂的推理决策过程，用设计的控制器代替 有经验的驾驶员，模拟驾驶员对摩托车传动系统的 操纵动作。根据参考文献6,8 ，驾驶员模拟采用闭 环控制，其原理如图 3 所示。 循环工况驾驶控制发动机传动系统驱动轮道路模拟 制动踏板 主力矩 道路模拟阻力矩 制动矩 实际车速 图 3 驾驶员控制原理图 模拟驾驶模型包括油门控制器和制动力控制器 模型。根据参考文献7,9 ，油门控制器可选择增量 模糊控制器，模糊控制器的输出为油门开度变化量， 模糊控制器的输入为目标车速和实际车速的差值以 及差值的变化率。油门模糊控制原理如图 4 所示。 比较处理模糊决策模糊化精确化控制对象 0( ) v t ( )E t ( )E t ( )e t ( )e t ( )U t( )u t ( ) r v t 图 4 模糊控制器设计图 车速的差值以及差值的变化率表达式如下： （16） 0 ( )( )( ) / ( )()( ) / ( ) ( )() rE rr u E tv tv tK E tv ttv tK u tKU tttu 式中， v0(t)为目标车速； vr(t)为实际车速； t，t 为当前时刻和采样间隔； E(t)，E(t)为模 糊控制器的归一化差值和差值变化率； KE， K 为车速差值和差值变化率归一化的量化因子； Ku 为模糊控制器输出的比例因子；U，u(t)为模 糊控制器的输出和解模糊输出；(t)，(t-t)为 当前采样和前一采样时间的油门开度。 模糊控制器输入的模糊集合 ENB(负大), ENS(负小), EZE(零), EPS(正小), EPB(正大) ， DNB (负大), DNS(负小), DZE(零), DPS(正小), DPB(正大)；输入的模糊变量集合为 -1, -0.5, 0, 0.5, 1。模糊控制器输出的模糊集UNB (负大), UNM(负中), UNS(负小), UZE(零), UPS(正小), UPM(正中), UPB(正大) ；输出的模糊变量集合为 4 -1, -0.6, -0.3, 0, 0.3, 0.6, 1 。采用三角形函数作 为输入变量和输出变量的模糊化隶属度函数，如图 5、6 所示。表中 E*，D*分别模糊控制器的归一 化差值和差值变化率，U*为模糊控制器的输出， 模糊控制规则如表 2 所示。 0-0.5-1.00.51.0 NBNSZEPSPB 图 5 输入变量（E、E）的模糊隶属度函数 0-0.3-0.6-1.00.30.61.0 NBNMNSZEPSPMPB 图 6 输出变量（U）的模糊隶属度函数 表 2 控制油门开度的模糊规则 DNBDNSDZEDPSDPB ENBUNBUNBUNMUNSUZE ENSUNBUNMUNSUZEUPS EZEUNMUNSUZEUPSUPM EPSUNSUZEUPSUPMUPB EPBUZEUPSUPMUPBUPB 推理方法采用最大最小推理法。模糊推理得 出的是模糊量，实际控制则必须为清晰量，因此需 要将模糊量转化为清晰量。限于篇幅，不对清晰化 作详细论述，详见参考文献7,9 。 制动控制器为 PID 控制器。制动力矩由实际车 速与理想车速的差值来决定，控制器的输出为制动 踏板的行程。根据参考文献5 ，制动控制器的表 达式为： （17） max(0,( )( ) / 01 ro epid e vv tv t kvkvdtkvt maxbe TT 式中v 为目标车速和实际车速的速度差； kp，ki，kd为控制器的 PID 参数；e为制动踏板行 程；Tmax为最大制动扭矩；Tb实际的制动扭矩。 5 试验仿真系统的总体方案试验仿真系统的总体方案 试验仿真系统主要分为动力系统、传动系统、 控制系统和道路阻力加载系统四个子系统。整个系 统模拟摩托车整车在实际道路工况下运行的动态过 程，其系统仿真原理如图 7 所示。 动力系统传动系统 阻力加载 系统 制动力矩 车速， 发动机转矩 节气门开度 输出扭矩阻力扭 当前转速 控制系统 （驾驶员） 图 7 仿真系统设计原理图 系统建立发动机模型和道路负载模型，模拟整 车运行时的发动机工况和道路负载状况，参数包括： 发动机驱动力矩（输出扭矩）和阻力矩。控制系统 模型模拟驾驶员在当前路况下对整车的操作，参数 包括：行驶车速、节气门（油门）开度和制动力矩。 控制系统可以根据传动系统反馈的发动机转速、输 出扭矩和整车车速，输出制动扭矩到驱动轮。 6. 整车试验动力学仿真及结果分析整车试验动力学仿真及结果分析 如图 8 所示仿真系统中，发动机模型的输出扭 矩，经过离合器后克服摩托车运行时各种阻力矩， 再经过变速器传递到驱动轮，形成摩托车驱动力 Fz。以驱动力为输入，整车速度模型输出整车行驶 车速 v（km/h） 。整车车速 v 通过 V-Ne转换模块反 馈到发动机模型的输入端 Ne，形成整车车速闭环； 在速度设定端，速度设定值与整车车速 v 的差v 作为驾驶员模型输入，控制整车的油门开度和制动 力。摩托车运行时阻力矩 Tin（等效到离合器输入 轴）分别由道路负荷模型输出的道路阻力矩、空气 阻力矩和制动力矩等共同作用。基于前述各子系统 模型，构建整车系统在实际工况下的仿真模型，并 在 MatlabSimulink 仿真环境下实现整车性能试验 的仿真系统。 本文只针对摩托车在平直路面工况下的整车性 能试验做仿真及结果的分析。图 9.a 为设定行驶目 标车速为 80km/h 时，摩托车车速和油门开度的仿 真变化过程。如图示，发动机从怠速工况进入高速 工况的同时，整车由停止状态进入加速状态，随着 行驶速度增大，道路阻力、空气阻力逐渐加大，同 时需要克服较大的加速阻力，油门开度处于全开状 态。随着目标车速跟近，行驶工况从加速过渡到恒 速工况，油门开度减小，进入保持状态（47%） ， 仅用以克服道路行驶阻力和空气阻力。从仿真结果 可以得出系统有较小超调后收敛到目标车速，过渡 5 过程平稳。 图 9.b 为整车性能试验仿真过程中，摩托车发 动机转速响应曲线。发动机转速 Ne从怠速工况 （3400 r/min）达到最大加速工况（7000 r/min） ， 然后进入恒速工况（6000 r/min） 。在加速过程中， 油门开度保持全开状态，Ne快速升到 7000 r/min，以输出最大扭矩。在达到目标车速后，油 门开度下降，Ne达到 6000 r/min，在恒速工况， 输出最大扭矩。 以上结论可以通过下面实测数据得到验证。图 10 为摩托车发动机在 5 种不同油门开度下速度特 性实测曲线，发动机输出扭矩、发动机输出功率和 发动机油耗率三组曲线簇如图所示。由实测数据分 析得出，油门开度在大于 50%时，摩托车最佳动力 性能转速点分布在 7000 r/min 附近，即摩托车可 以输出最大扭矩和功率。油门开度在 2550%范围 内时，最佳动力性能转速点分布在 6000 r/min 附近。 怠速工况转速点分布在 3500 r/min 附近。 综上所述，通过仿真结果和实测结果的对比， 仿真系统能较准确的反映摩托车在平直道路上的起 动、加速过程。在摩托车整车加速工况和恒速工况 中，发动机均处于最佳动力性能状态。 发动机 模型 离合器变速器驱动轮 整车速 度模型 目标车速 PID控 制器 模糊控 制器 道路阻力模型 e M e N e M in M in T t M z F v V set V , wri T T T b T e N , wrib T T T T Tw:等效到变速器输入轴的空气阻力矩； Tr:等效到变速器输入轴的道路阻力矩； Ti:等效到变速器输入轴的坡度阻力矩； Tb:等效到变速器输入轴的制动力矩； Tin:等效到变速器输入轴的运行阻力矩, 即Tw,Tr,Ti,Tb的和； e V N 图 8 整车系统仿真框图 图 9 仿真试验结果 6 图 10 发动机速度特性试验实测曲线 7结束语结束语 本文利用发动机台架试验和道路滑行试验 数据，建立能够满足摩托车整车性能试验的虚 拟试验环境的系统模型，使传统方法所存在问 题，得到较好的解决。基于模糊控制和 PID 控 制，建立驾驶员操作模型使整车行驶控制由控 制算法完成，减少了人为操作的随机性。从系 统响应和仿真分析来看，系统仿真试验与速度 试验结果对比一致性较好，表明系统能正确模 拟整车试验动态过程。利用发动机台架试验数 据构建整车试验仿真系统，来代替大部分摩托 车整车道路性能试验，作为本系统研究的主要 内容，具有很高的研究价值。从研发新产品方 面考虑，缩短了摩托车的研发周期；从经济性 来考虑，节省了整车性能试验所需的试验设备、 燃油、技术方面的投入。 参考文献：参考文献： 1黎苏，黎晓鹰，黎志勤.汽车发动机动态过程 及其控制M.人民交通出版社，2001 2曹辉，严新平，吴超仲，等.基于动力学分析 的驾驶模拟器运动仿真算法J.武汉理工大学 学报（交通科学与工程版） ，2005，6（3） 3程超，王登峰，秦民.利用试验数据控制汽车 模型驾驶行为J.计算机仿真， 2006，23（5） 4韩宗奇，苏亮. 测定汽车空气阻力系数的方 法J.汽车工程